唐山学院12通信工程通信原理实习课程设计报告.doc
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1、唐 山 学 院 通信原理 课 程 设 计 题 目 数字频带通信系统的设计与仿真分析 系 (部) 信息工程系 班 级 12通信一班 姓 名 学 号 指导教师 张银蒲、王金红 2014 年 12 月 22 日至2015 年 1 月 2 日 共 2 周 通信原理 课程设计任务书一、设计题目、内容及要求 设计题目:数字频带通信系统的设计与仿真分析内容及要求:1.了解Matlab/Simulink的运行环境及应用领域;2.逐步熟悉各种数字频带通信系统的仿真,由简到难;3.系统仿真及波形分析(1) 2ASK数字调制系统与仿真分析;(2) 2FSK数字调制系统与仿真分析;(3) 2PSK数字调制系统与仿真分
2、析;(4) QPSK数字调制系统与仿真分析。二、设计原始资料 通信原理;软件Matlab;计算机一台 三、要求的设计成果(课程设计说明书、设计实物、图纸等)设计说明书1份,不少于2000字,应包含数字频带通信系统原理、相关系统设计、相关软件Matlab/Simulink介绍、系统仿真及波形分析。四、进程安排第1-2天 课设理论讲解及仿真软件介绍、学生练习使用软件第3-4天 相关系统设计第5-6天 系统仿真及波形分析第7-8天 整理、撰写说明书第9-10天 进行测试或答辩五、主要参考资料1樊昌信、曹丽娜.通信原理.北京:国防工业出版社,20062刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统
3、建模与仿真.北京:电子工业出版社,20113邵玉斌.MATLAB/Simulik通信系统建模与仿真实例分析.北京:清华大学出版社,20084张水英,徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真.北京:人民邮电出版社,20125邵佳,董辰辉. MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲.北京:电子工业出版社,2009指导教师(签名):教研室主任(签名):课程设计成绩评定表出勤情况出勤天数 缺勤天数成绩评定出勤情况及设计过程表现(20分)课设答辩(20分)设计成果(60分)总成绩(100分)提问(答辩)问题情况 综合评定 指导教师签名: 年 月 日目录引言1一 数字频带通信系
4、统的设计原理21.1 2ASK数字调制系统的设计原理简介21.2 2FSK数字调制系统的设计原理简介31.3 2PSK 数字调制系统的设计原理简介51.4 QPSK 数字调制系统的设计原理简介8二MATLAB和Simulink的简介11三 调制与解调仿真133.1 2ASK的调制与解调仿真133.1.1 2ASK调制仿真133.2 2FSK的调制与解调仿真183.2.1 2FSK调制仿真183.2.2 2FSK解调仿真21 3.2.2.1:2FSK信号解调21 3.2.2.2:2FSK参数设置21 3.2.2.1:2FSK系统仿真及各点波形图233.3 2PSK的调制与解调仿真233.3.1
5、2PSK调制仿真233.3.2 2PSK解调仿真263.4 QPSK的调制与解调仿真283.4.1 QPSK调制仿真283.4.2 QPSK解调仿真32四 总结34参考文献35引言随着微电子技术、计算机技术的广泛应用以及超大规模集成电路的出现,数字系统的设备复杂程度大大降低。同时高效的数据压缩技术以及光纤等大容量传输媒质的使用正逐步使带宽问题得到解决。因此,数字通信的应用必将越来越广泛。数字调制技术的两种方法,利用模拟调制的方法去实现数字式调制,即把数字调制看成是模拟调制的一个特例,把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理;利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波,从而实现数字调制。高度信息
6、化的社会中信息和通信已成为现代社会的“命脉”。信息作为一种资源,只有通过广泛地传播与交流,才能产生利用价值,促进社会成员之间的合作,推动社会生产力的发展,创造出巨大的经济利益。而通信作为传输信息的手段和方式,与传感技术、计算机技术相互融合,已成为21世纪国际社会和世界经济发展的强大动力。可以预见,未来的通信对人们的生活方式和社会的发展将会产生更加重大和意义深远的影响。目前,无论是模拟通信还是数字通信,在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是,数字通信的发展速度已明显超过了模拟通信,成为当代通信技术的主流。与模拟通信相比,数字通信具有以下一些优点:抗干扰能力强,且噪声不积累;传输差错可控;便于
7、用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储;易于集成,使通信设备微型化,重量轻;易于加密处理,且保密性好。数字通信的缺点是,一般需要较大的带宽。另外,由于数字通信对同步要求高,因而系统设备复杂。但是,本课程设计主要是设计2ASK,2FSK,2PSK以及QPSK频带传输系统并对其进行仿真与性能分析。在设计此频带传输系统时,首先对输入信号利用相关的模块进行调制,再通过加入高斯白噪声传输信道,接着在接收端对信号进行解调,最后把输出的信号和输入的信号进行比较。一 数字频带通信系统的设计原理 在数字基带传输系统中,为了使数字基带信号能够在信道中传输,要求信道应具有低通形式的传输特性。然而,在实
8、际信道中,大多数信道具有带通传输特性,数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。必须用数字基带信号对载波进行调制,产生各种已调数字信号。 数字调制与模拟调制原理是相同的,一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。但是,数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点,其取值是有限的离散状态。这样,可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。基带信号输出信道调制器基带信号输入解调器噪声图1-1 数字调制系统的基本结构1.1 2ASK数字调制系统的设计原理简介幅度键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息,而其频率和初始相位保持不变。在2ASK中,载波的幅度只有两种变化形态,分别对应二进制信
9、息“0”或“1”。一种常用的,也是最简单的二进制振幅键控方式成为通-断键控,其表达式为:以概率p发送“1”时(1-1)以概率1-p发送“0”时 2ASK信号的一般表达式为: (1-2)其中 (1-3)概率为P式中:为码元持续时间;为持续时间为的基带脉冲波形。为简便起见,通常假设是高度为1、宽度等于的矩形脉冲;是第n个符号的电平取值。若取(1-4)概率为1-P 则相应的2ASK信号为OOK信号。 图1-2 2ASK/OOK信号时间波形 2ASK/OOK信号的产生方法通常有两种:模拟调制法和键控法与AM信号的解调方法一样。2ASK信号也有两种基本的解调方法:非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步
10、检波法),相应的接收系统组成方框如图1-3 所示。与模拟信号的接收系统相比,这里增加了一个“抽样判决器”方框,这对于提高数字信号的接收性能是必要的。抽样判决器低通滤波器全波整流器带通滤波器输出定时脉冲(a)非相干解调方式输出抽样判决器低通滤波器相乘器带通滤波器定时脉冲(b)相干解调方式图1-3 2ASK信号的接收系统组成方框图1.2 2FSK数字调制系统的设计原理简介频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息。在2FSK中,载波的频率随二进制基带信号在和两个频率点间变化。故其表达式为:(1-5)发送“1”时发送“0”时 由图1-4可以看出,2FSK信号的波形(g)可以分解成波形(e)和波形(f
11、),也就是说,一个2FSK信号可以看成是两个不同的载频的2ASK信号的叠加。因此2FSK的时域表达式又可写成: (1-6)式中:为单个矩形脉冲,脉宽为;(1-7)概率为P概率为1-P 是的反码,若=1,则=0;若=0,则=1,于是(1-8)概率为1-P概率为P 和分别是第n个信号码元(1或0)的初始相位。在移频键控中,和不携带信息,通常可令和为0。如图1-4所示,2FSK信号的时间波形:图1-4 2FSK信号的时间波形2FSK信号的产生方法主要有两种。一种可以采用模拟调频电路来实现;另一种可以采用键控法来实现。这两种方法产生2FSK信号的差异在于:由调频法产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位
12、时连续变化的。而键控法产生的2FSK信号,是由电子开关在两个独立的频率源之间转换形成,故相邻码元之间的相位不一定连续。振荡器1选通开关反相器选通开关相加器输出振荡器2图 15 数字键控法产生2FSK信号的原理图包络检波器带通滤波器定时脉冲输出抽样判决器带通滤波器包络检波器带通滤波器(a) 非相干解调包络检波器带通滤波器定时脉冲输出抽样判决器包络检波器(b)相干解调图 1-62FSK信号解调原理图1.3 2PSK 数字调制系统的设计原理简介 相移键控是利用载波的相位变化来传递数字信息,而振幅和频率保持不变。在2PSK中,通常用初始相位0和分别表示二进制的“1”和“0”。因此,2PSK信号的时域表
13、达式为: (1-9)其中,表示第n个符号的绝对相位: (1-10)发送“0”时发送“1”时 所以,式(1-9)可以写成:(1-11)概率为P概率为1-P 如图1-7所示,由于表示信号的两种码元的波形相同,极性相反,故2PSK信号一般可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲与一个正弦载波的相乘,即: (1-12)其中 (1-13)这里,g(t)是脉宽为的单个矩形脉冲,而的统计特性为:(1-14)概率为P概率为1-P 图 17 2PSK信号的时间波形 由式可看出,当发送二进制符号1时,已调信号取0相位,发送二进制符号0时,取180相位.若用n表示第n个符号的绝对相位,则有= 0, 发送 1 符号; =
14、180, 发送 0 符号;这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字信号的调制方式,称为二进制绝对移相方式。 2PSK信号的调制原理图如图1-8所示. 其中图(a)是采用模拟调制的方法产生2PSK信号,图(b)是采用数字键控的方法产生2PSK信号. 2PSK信号的解调通常都是采用相干解调, 解调器原理图如图1-9所示.在相双极性不归零干解调过程中需要用到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波, 2PSK信号相干解调各点时间波形如图1-10所示. 当恢复的相干载波产生180倒相时,解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反,解调器输出数字基带信号全部出错。码型变换乘法器 (a)模拟调制
15、方法开关电路0180移相(b)键控法输出图 1- 82PSK信号的解调原理图抽样判决器带通滤波器相乘器低通 滤波器 定时脉冲图 1-92PSK信号的解调原理框图图1-10 2PSK 信号相干解调时各点时间波形这种现象通常称为倒现象.由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180的相位模糊,所以2PSK信号的相干解调存在随机的倒现象,从而使得2PSK方式在实际中很少采用。1.4 QPSK 数字调制系统的设计原理简介QPSK信号产生方法有两种。第一种是用相乘电路,如图1-11所示。图中输入基带信号A(t)是二进制不归零双极性码元,它被”串并变换”电路变成两路码元a和b。变成行码元a和b后,其每个码
16、元的持续时间是输入码元的2倍。第二种产生方法是选择法,其原理方框图示于图2-12中。这时输入基带信号经过串/并变换后用于控制一个相位电路,按照当时的输入双比特ab,决定选择哪个相位的载波输出。候选的4个相位,可以是按A方式规定的4个相位。相乘电路串/并变换相干载波产生相加电路相移相乘电路图1-11 第一种QPSK信号产生方法a4相载波产生器带通滤波相位选择串/并变换b图1-12 第二种QPSK信号产生方法QPSK信号的解调原理方框图示于1-13中。由于QPSK信号可以看做是两个正交2PSK信号的叠加,所以用两路正交的相干载波去解调,可以很容易地分离这两路正交的2PSK信号。相干解调后的两路并行
17、码元a和b,经过并/串变换后,成为串行数据输出。此法是一种正交相平解调法,又称极性比较法。A(t)并/串定时抽取抽判低通载波提取抽判低通相乘aS(t)b相乘图1-14 QPSK信号解调原理方框图 在QPSK体制中,它的相邻码元最大相位差达到。由于这样的相位突变在频带受限的系统中会引起信号包络的很大起伏,所以为了减小此相位突变,将两个正交分量的两个比特a和b在时间上错开半个码元,使之不可能同时改变,这样安排后相邻码元相位差的最大值仅为,从而减小了信号振幅的起伏。二MATLAB和Simulink的简介美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“Matrix Laboratory”(缩写
18、为Matlab)这就是Matlab最早的雏形。开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。从Matlab诞生开始,由于其高度的集成性及应用的方便性,在高校中受到了极大的欢迎。由于它使用方便,能非常快的实现科研人员的设想,极大的节约了科研人员的时间,受到了大多数科研人员的支持,经过一代代人的努力,目前已发展到了7.X版本。 Matlab是一种解释性执行语言,具有强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单,扩充方便,尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充Matlab的功能,使其成为了巨大的知识宝库。可以毫不夸张的说,哪怕是你真正理解了一个工具箱,那么
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